Les batteries de puissance constituent la source d'énergie des véhicules électriques. Un système de batterie de puissance est généralement divisé en trois niveaux : le pack de batteries, les modules et les cellules.

1. Bloc-batterie

Le bloc-batterie est généralement composé de modules de batterie, d'un système de gestion thermique, d'un système de gestion de batterie (BMS), de systèmes électriques et de composants structurels.

Un module de batterie peut être considéré comme un produit intermédiaire entre les cellules et le pack, constitué de cellules lithium-ion assemblées en série et en parallèle, et auquel sont ajoutés des dispositifs de surveillance et de gestion individuels des cellules. Sa structure doit supporter, fixer et protéger les cellules.

Ses composants de base comprennent :

• Contrôleur de module : souvent appelé carte esclave BMS.
• Piles de batterie
• Connecteurs conducteurs
• Cadre en plastique
• Plaque froide et tuyaux de refroidissement
• Plaques d'extrémité et fixations : Les plaques d'extrémité, situées aux deux extrémités, regroupent les cellules individuelles et exercent une certaine pression. Elles servent également souvent à fixer le module dans le bloc-batterie.

La conception modulaire vise à faciliter la gestion des cellules par le BMS, à améliorer la sécurité des batteries et à simplifier la maintenance et les réparations, un peu comme diviser un pays en plusieurs provinces pour une gouvernance plus aisée.

3. Cell
Une cellule est principalement composée d'une électrode positive (cathode), d'une électrode négative (anode), d'un séparateur et d'un électrolyte. Son principe de fonctionnement repose sur la migration des ions lithium entre les électrodes positive et négative pour permettre la charge et la décharge.

• Processus de charge : Nécessite une énergie externe (électricité du réseau) pour stocker l’énergie électrique dans la batterie.
• Processus de décharge : Se produit spontanément, libérant l'énergie stockée.

Les batteries lithium-ion pour véhicules électriques sont principalement classées en trois catégories en fonction de leurs systèmes de matériaux : l'oxyde de lithium-manganèse (LMO), les matériaux ternaires (NCM/NCA) et le phosphate de fer lithié (LFP).

La sécurité, la stabilité et les performances à basse température sont également des indicateurs essentiels pour l'évaluation complète des performances des batteries lithium-ion.

• Oxyde de lithium-manganèse (LMO)

LMO présente de faibles performances à haute température, une stabilité cyclique médiocre et des caractéristiques de stockage déficientes. Le manganèse a tendance à se dissoudre/dissocier à haute température, ce qui réduit la durée de vie de la batterie et sa durée de conservation.

• Batteries lithium-ion à matériau ternaire (NCM/NCA)

Les batteries ternaires offrent des performances équilibrées à hautes et basses températures, en termes de cyclage, de sécurité, de stockage et pour diverses caractéristiques électriques. Elles se caractérisent par une densité énergétique volumique élevée, un coût des matériaux modéré et une grande stabilité. Selon le rapport nickel-cobalt-manganèse, les systèmes de cellules ternaires comprennent des séries telles que NCM532 et NCM811. Le système 811 a connu un essor considérable ces dernières années. Une proportion plus élevée de nickel augmente la densité énergétique de la batterie, mais diminue en contrepartie sa stabilité. La conception des batteries de puissance est donc un exercice d'équilibre constant, visant à concilier praticité et sécurité.

• Phosphate de fer lithié (LFP)

L'électrode positive d'une batterie au lithium est constituée en déposant le matériau actif positif (tel que LFP ou NCM) sur une feuille d'aluminium (le collecteur de courant), tandis que l'électrode négative est constituée en déposant le matériau actif négatif (tel que le graphite ou LTO) sur une feuille de cuivre (le collecteur de courant).

En général, les batteries sont nommées d'après le matériau de leur électrode positive ; c'est pourquoi on les appelle couramment batteries ternaires ou batteries lithium-fer-phosphate. Cependant, les batteries au titanate de lithium (LTO) constituent une exception, car le LTO est le matériau de l'électrode négative, ce qui en fait un cas unique de batterie nommée d'après son matériau d'électrode négative.

Lors de l'examen de la littérature étrangère, il est fréquent de constater que les auteurs désignent le matériau de l'électrode positive comme la cathode et celui de l'électrode négative comme l'anode. De prime abord, cela peut prêter à confusion, car l'électrochimie classique définit l'électrode où se produit la réduction comme la cathode et celle où se produit l'oxydation comme l'anode ; autrement dit, cette désignation s'inverserait lorsque la batterie passe des modes de charge et de décharge. Avec le temps, il apparaît clairement que cette définition repose sur l'état de la batterie en l'absence d'influence énergétique externe ; ainsi, la cathode et l'anode de la batterie sont déterminées précisément par les états réactionnels lors de la décharge.

Analyse de la dégradation des batteries
La dégradation des batteries peut être analysée selon deux dimensions principales : la dégradation des performances et la dégradation de la sécurité.

1) Dégradation des performances : Après une certaine période d’utilisation, l’autonomie des véhicules électriques diminue et une baisse des performances d’accélération peut également se manifester. Ce phénomène s’explique principalement par la perte de capacité, l’augmentation de la résistance interne et l’élévation du taux d’autodécharge.

2) Dégradation de la sécurité : La dégradation de la sécurité est relativement plus difficile à détecter. La batterie peut avoir déjà subi une déformation physique ou mécanique, la probabilité d’un court-circuit interne peut avoir augmenté, ou il peut exister un risque de fuite d’électrolyte. Par conséquent, pour bien comprendre le processus de dégradation de la batterie, les prochaines étapes consistent à étudier les facteurs déclencheurs de la réduction de capacité, les facteurs qui entraînent une augmentation de la résistance interne, le mécanisme de déformation de la batterie et les mécanismes à l’origine des courts-circuits internes.

Sécurité comparative et tendances du marché
En matière de sécurité, les batteries à l'oxyde de lithium-manganèse (LMO) sont nettement plus performantes que les batteries ternaires. Par exemple, certains fabricants chinois utilisent actuellement le LMO modifié de Xinzheng (LMA-30) pour produire des cellules unitaires de 90 Ah, qui réussissent toutes l'ensemble des tests de sécurité de l'Institut 201. En revanche, pour les matériaux ternaires, même les cellules unitaires de 20 Ah produites localement peuvent avoir des difficultés à réussir le test de pénétration par clou. Cet écart s'explique fondamentalement par la stabilité structurelle des matériaux ; la structure cristalline du LMO est intrinsèquement plus stable que celle des matériaux ternaires.

De plus, les matériaux LMO ont bénéficié d'une période de développement plus longue et présentent un niveau de maturité technologique bien supérieur. Le LMA-30 mentionné précédemment utilise un dopage/une modification à l'aluminium (Al) pour améliorer le LMO ; des options ternaires modifiées similaires ne sont pas à exclure pour les développements futurs. Par ailleurs, en raison de problèmes de compatibilité avec l'électrolyte, les matériaux ternaires sont plus sujets au dégagement gazeux que le LMO, ce qui explique en partie pourquoi la sécurité des batteries ternaires est inférieure à celle des batteries LMO.

Cependant, la densité énergétique des matériaux ternaires est nettement supérieure à celle du LMO. Par conséquent, les batteries de puissance les plus performantes actuellement produites au Japon et en Corée du Sud utilisent principalement du LMO mélangé à une certaine proportion de matériaux ternaires. Cette approche garantit la sécurité tout en augmentant la densité énergétique, ce qui représente une tendance clé pour le développement futur des batteries de puissance pour véhicules électriques.

Structures cellulaires

Les cellules sont classées en trois types selon leur structure : cylindriques, en forme de poche et prismatiques.

1. Cellules prismatiques : grâce à leur facilité de fabrication et à leur faible encombrement, les cellules prismatiques sont actuellement le choix privilégié pour les véhicules électriques en Chine.
2. Cellules cylindriques : hautement standardisées. Les modèles courants incluent les 14650, 14500, 18650 et 21700. Les deux premiers chiffres représentent le diamètre (mm), les troisième et quatrième chiffres la hauteur (mm), et le « 0 » indique une forme cylindrique. Tesla utilise actuellement des cellules 18650 et 21700, tandis que les cellules 4680, plus grandes, sont progressivement généralisées. Les composants typiques comprennent les plaques positive et négative, le séparateur, l’électrolyte, le boîtier, le capuchon (borne positive), le joint et la soupape de sécurité.
3. Cellules en sachet : Conditionnées sous film aluminium-plastique, offrant une grande flexibilité de conception.

4. Système de gestion de la batterie (BMS)
système de gestion de la batterie pour les batteries lithium-ion Le BMS est un système de contrôle et de surveillance conçu pour gérer les performances et la sécurité de la batterie. En acquérant et en calculant des paramètres critiques tels que la tension, le courant, la température et l'état de charge (SOC), le BMS régule les processus de charge et de décharge, protège la batterie contre les conditions de fonctionnement anormales et améliore ainsi ses performances globales et sa durée de vie. Il constitue un lien de communication et de contrôle essentiel entre la batterie de traction embarquée et le véhicule électrique.

Trois fonctions principales du BMS :

1. Estimation de l'état de charge (SOC) : mesure la puissance restante pour fournir aux conducteurs des données précises sur l'autonomie et des rappels de recharge.
2. Gestion thermique : Surveille les températures de fonctionnement et active les systèmes de refroidissement (ventilateurs ou plaques de refroidissement) pour maintenir la batterie dans sa plage de température optimale.
3. Équilibrage des batteries : corrige les variations de tension et de capacité dues aux tolérances de fabrication ou à une dissipation thermique inégale, empêchant ainsi la surcharge des cellules individuelles.

L'analyse des risques lors du développement d'un système de gestion de batterie (BMS) permet d'identifier les dangers tels que la surtension (surcharge), la sous-tension, la surchauffe et la surintensité. La surcharge prolongée est particulièrement grave et peut entraîner des dommages irréversibles, des déformations ou des fuites. Le mécanisme de sécurité doit détecter immédiatement toute surcharge et limiter les défaillances ponctuelles ou latentes.

5. Tendances en matière de développement des batteries

5.1 Piles sans cobalt
Les batteries lithium-ion ternaires nécessitent du cobalt pour stabiliser leur structure multicouche et améliorer leur durée de vie. Or, le prix du cobalt fluctue considérablement et plus de la moitié de l'offre mondiale est concentrée en République démocratique du Congo (RDC), ce qui rend la chaîne d'approvisionnement extrêmement vulnérable aux perturbations géopolitiques et aux pandémies. Éliminer ou réduire l'utilisation du cobalt permet de diminuer le coût des véhicules et d'atténuer les risques liés à la chaîne d'approvisionnement.

• Avantages : Les électrolytes solides présentent une large fenêtre de stabilité électrochimique, permettant l’utilisation de matériaux de cathode haute tension et d’anodes en lithium métal haute capacité, ce qui augmente considérablement la densité énergétique. Leur haute résistance mécanique bloque également efficacement la pénétration des dendrites de lithium, prévenant ainsi les courts-circuits.
• Défi actuel : Impédance interfaciale solide-solide extrêmement élevée entre les électrodes et l’électrolyte.

5.3 Batteries Blade
Développée par BYD, la batterie Blade utilise des cellules longues et fines (960 mm de long, 13,5 mm d'épaisseur et 90 mm de haut) dont la forme rappelle celle de lames. L'empilement interne remplace l'enroulement traditionnel. Fixées entre deux couches de plaques d'aluminium à l'aide d'adhésifs structuraux, les cellules font office d'éléments de structure. Cette conception, similaire aux panneaux alvéolaires en aluminium, permet de supprimer les modules et ainsi de réduire le poids, les coûts et d'optimiser l'espace.

• Défi : Le procédé est complexe. Les taux de rebut élevés lors du découpage, les difficultés à maintenir la régularité des bords et des bavures, ainsi que les exigences de précision d’alignement constituent des obstacles de fabrication importants. C’est la principale raison pour laquelle les batteries empilées n’ont pas encore conquis le marché au détriment des batteries bobinées traditionnelles.

• Voie 1 : Entièrement sans module (par exemple, batterie BYD Blade).
• Voie 2 : Intégration de petits modules dans des modules géants (par exemple, CATL CTP).

CTC (Cellule au Châssis) : l’évolution suivante après CTP. Cette technologie intègre les cellules de la batterie directement au châssis du véhicule, fusionnant le couvercle de la batterie avec le plancher. Les sièges peuvent être montés directement sur le pack batterie. Le CTC s’affranchit des limites traditionnelles des packs de batteries, permettant une intégration poussée des cellules, du châssis, du moteur, de la commande électronique et des systèmes DC/DC afin d’optimiser l’espace, de réduire la consommation d’énergie et de rendre les coûts de production des véhicules électriques directement compétitifs par rapport à ceux des véhicules à moteur thermique.

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